Universidad de Zaragoza, Prensas de la Universidad
Abstract
Los actuadores de reluctancia se utilizan ampliamente debido a sus altas densidades de fuerza y baja disipación de calor. En particular, los actuadores de reluctancia simples de una sola bobina de carrera corta, como los relés electromecánicos y las electroválvulas, son la mejor opción para operaciones de conmutación de encendido y apagado en muchas aplicaciones debido a su bajo coste, tamaño y masa. Sin embargo, un inconveniente importante es el fuerte impacto al final de cada conmutación, que provoca rebotes, desgaste mecánico y ruido acústico. Son fenómenos muy indeseables que restan valor a las ventajas evidentes de estos actuadores y limitan su rango de aplicaciones potenciales.Esta tesis se centra en el desarrollo y estudio de soluciones de control de aterrizaje suave para actuadores de reluctancia de carrera corta, con el objetivo de minimizar sus velocidades de impacto. Es importante indicar que la eficiencia de dichos dispositivos se produce a costa de serios retos teóricos y prácticos en cuanto a su control, por ejemplo, dinámicas rápidas, híbridas y altamente no lineales, fenómenos electromagnéticos complejos, variabilidad entre unidades y falta de medidas de posición durante el movimiento.El punto de partida es la modelización del sistema, teniendo en cuenta sus subsistemas interconectados eléctricos, magnéticos y mecánicos. El objetivo principal de los modelos es servir para el desarrollo de métodos de control y estimación. Por lo tanto, se trata de modelos de parámetros concentrados expresados como representaciones del espacio de estados. Se especifican diferentes fenómenos electromagnéticos, con especial atención a la histéresis magnética. Se proponen dos tipos de modelos de diferente complejidad según se incorpore o se desprecie el fenómeno de la histéresis magnética.El primer enfoque para el control del aterrizaje suave es el diseño óptimo de las trayectorias de posición y sus correspondientes señales de entrada. La propuesta tiene en cuenta la incertidumbre en la posición del contacto y, por tanto, las soluciones obtenidas son más robustas. Mientras que las señales de entrada generadas son eficaces para las estrategias de control en lazo abierto, las trayectorias de posición generadas pueden utilizarse controles de prealimentación o de retroalimentación.Para mejorar la robustez de los controladores de lazo abierto, también proponemos una estrategia run-to-run que adapta iterativamente las señales de entrada. En concreto, está diseñada para trabajar conjuntamente con un controlador de prealimentación basado en las mencionadas trayectorias de posición construidas de forma óptima. Para el algoritmo de aprendizaje ciclo a ciclo, se elige una técnica de optimización, se ajusta y se compara con dos alternativas.Otro enfoque explorado es el control de retroalimentación para el seguimiento de trayectorias predefinidas de posición. La solución propuesta es un controlador estrictamente conmutativo en modo deslizante. Está enfocado en la simplicidad para facilitar su implementación, al tiempo que se tiene en cuenta la dinámica híbrida. Los análisis teóricos y simulados demuestran que el aterrizaje suave es posible con tasas de muestreo razonables.Los controladores de retroalimentación y otros controladores de seguimiento requieren mediciones o estimaciones precisas de la posición. Como la medición de la posición raramente es práctica, parte de la investigación se dedica al diseño de estimadores de estado. La principal propuesta es un suavizador Rauch-Tung-Striebel ampliado para sistemas no lineales, que incluye varias ideas nuevas relacionadas con el modelo discreto, las entradas y las salidas. Los análisis simulados demuestran que el efecto combinado de las nuevas adiciones da lugar a mucho mejores estimaciones de la posición.Reluctance actuators are widely used due to their high force densities and low heat dissipation. In particular, simple short-stroke single-coil reluctance actuators, such as electromechanical relays and solenoid valves, are the best choice for on-off switching operations in many applications because of their low cost, size and mass. However, a major drawback is the strong impact at the end of each commutation, which provokes bouncing, mechanical wear and acoustic noise. They are very undesirable phenomena that detract from the evident advantages of these actuators and limit their range of potential applications. This thesis focuses on the development and study of soft-landing control solutions for short-stroke reluctance actuators, aiming at minimizing their impact velocities. It is important to indicate that the efficiency of the aforementioned devices comes at the cost of serious theoretical and practical challenges regarding their control, e.g., fast, hybrid and highly nonlinear dynamics, complex electromagnetic phenomena, unit-to-unit variability and lack of position measurements during motion. The starting point is the system modeling, accounting for their interconnected electrical, magnetic and mechanical subsystems. The main purpose of the models is to be used for the development of control and estimation methods. Therefore, they are lumped-parameter models expressed as state-space representations. Different electromagnetic phenomena are specified, with special attention to the magnetic hysteresis. Two model types of different complexities are proposed depending on whether the magnetic hysteresis phenomenon is incorporated or neglected. The first approach for soft-landing control is the optimal design of position trajectories and their corresponding input signals. The proposal considers uncertainty in the contact position, and hence, the obtained solutions are more robust. While the generated input signals are effective for open-loop control strategies, the generated position trajectories can be used in feedforward or feedback control. In order to improve the robustness of open-loop controllers, we also propose a run-to-run strategy that iteratively adapts the input signals. Specifically, it is designed to work in conjunction with a feedforward controller based on the aforementioned optimally constructed position trajectories. For the cycle-to-cycle learning algorithm, an optimization technique is chosen, adjusted and compared to two alternatives. Another explored approach is feedback control for tracking predefined position trajectories. The proposed solution is a purely switching sliding-mode controller. The focus is on simplicity to facilitate its implementation, while also taking into account the hybrid dynamics. Theoretical and simulated analyses show that soft landing is achievable with reasonable sampling rates. Feedback and other tracking controllers require accurate measurements or position estimations. As measuring the position is rarely practical, part of the research is devoted to the design of state estimators. The main proposal is an extended Rauch–Tung–Striebel smoother, which includes several new ideas regarding the discrete model, the inputs and the outputs. Simulated analyses demonstrate that the combined effect of the novel additions results in much better position estimations.<br /
